книги / Справочник по пайке
..pdfАДГЕЗИОННАЯ ПАЙКА
Пайка, при которой формируется адге зионный спай, называется адгезионной.
Адгезионный спай образуется в условиях, когда полностью исключены или сведены к минимуму процессы массообмена в области межфазных границ, в результате после кри сталлизации состав припоя практически не изменяется. Соединения адгезионного типа могут быть получены как при использовании в качестве припоев металлов, не образующих с паяемыми металлами растворов ни в твердом, ни в жидком состоянии, так и за счет снижения температуры и ограничения времени контакти рования твердой и жидкой фаз.
Формирование адгезионного соединения особенно важно, когда возможно образование хрупких ингерметаллидов в зоне спая. При проектировании технологического процесса формирования адгезионных соединений и при пайке в малых капиллярных зазорах необходи мо учитывать граничную кинетику растворе ния. Критерий оценки малости капиллярного зазора приведен ниже.
Ранее была рассмотрена чисто диффузи онная кинетика процесса растворения в зазоре, при которой предполагается, что в момент времени t = 0 на межфазной границе сразу ус
танавливается профиль концентраций с,р, с\ ,
соответствующий равновесной диаграмме со стояний (рис. 6, а, б). В реальных условиях при / = 0 в контакте обычно находятся твердая фаза
А состава с,н и расплав В состава с ? , а кон
центрационный профиль имеет вид ступени (рис. 6, в). При / > 0 на движущейся межфазной границе y(t) в процессе растворения начинает увеличиваться концентрация атомов А в рас
плаве с2(/) I ,</) = с,(0 > с? Время достижения
на межфазной границе равновесной концен
трации с, (/„) = с? определяет продолжитель
ность протекания стадии граничной кинетики tгр = /в. При рассмотрении диффузионный по ток в твердую фазу и конвекцию расплава в капиллярном зазоре не учитывался. Такая по становка задачи помимо упрощения имеет са мостоятельный практический интерес [11].
Для нахождения неизвестных кинетиче ских параметров необходимо решить уравне ние диффузии для фазы 2 (жидкость):
дс2(х, I) _ |
д ( |
дс2(х,1)) |
dt |
dx{ - |
dx ) |
При начальных и граничных условиях
с2(х. 0) =с2 : с2(х, /)|Г=И() =с,(1)\
г-1
и условии массобаланса на движущейся границе:
>’(/)
В данном случае имеются три неизвестные функции с2(х, /), c,(t) и у(/), для определения
Рис. 6. Схема взаимодействия металла А (фаза /) с припоем В (фаза 2) в зазоре а = 2/:
а —участок диаграммы состояния ( С|Н —начальная, с р —равновесная при Т —Т\ и c,(t) —неравновесная
концентрации на межфазной границе; б —распределение концентрации с,(х, /) в фазах / и 2 (/ ^ 0) при диффузионной кинетике растворения; в —распределение концентрации ci(x> /) в фазе 2 в случае граничной
кинетики при t = 0 (с,(0 = |
) и при 0 < / < /, |
< с р ) |
которых необходимо задать еще одно условие. Под полным потоком растворения J будем подразумевать количество атомов твердой фа зы А, оторвавшихся от межфазной границы. Предполагаем, что механизм переноса вещест ва как в твердой, так и в жидкой фазах чисто диффузионный и не лимитируется отрывом атомов А от межфазной границы, что характерно для большинства металлических систем.
Условие непрерывности нестационарного потока в этом случае:
А |
—/iP _/>^ |
а 22 |
“ С2 С2 |
Таким образом, имеем систему уравнений для определения трех неизвестных кинетиче
ских параметров с2(дг, /), сДО и y(t)
Рассмотрим приближенное решение. На первом этапе растворения (t < /Д распределе ние концентрации аппроксимируем полиномом
С,(Х,
1,5 < Л7< 3,
где J представляет |
собой сумму граничного |
||
J B= Ро)Асв = КАсв |
и |
диффузионного |
|
дс_ |
1- Аса |
потоков |
|
Л = - А дх >(') |
|
д 22 |
|
где Р (м'2 с’1) - удельный граничный диффу зионный поток; J (г • м с"1) имеет смысл пото ка при единичной разности концентраций на y(t) ; о (м3) - объем, приходящийся на один
атом, а Дсв =с% -сД /).
Исходя из весового вклада потоков J B и
J d , J можно представить в виде
J = K ( c l - Ci(t))-D 2 с,(‘П |
дс2(х, t) |
|
Л22 |
дх |
х=у(1) |
где z(t) - фронт концентрационного возмуще ния, за которым отсутствует поток атомов А, определяемый следующим образом:
с(д-, 0 = ^ 2 ПРИ z(t)< x< l;
дс(х, I)
Уравнение диффузии заменим интеграль ным условием концентрационного баланса
:(П |
:il) |
|
>■(/) |
дх |
|
yd) |
|
|
После подстановок получаем |
систему |
|
дифференциальных уравнений для |
определе |
|
ния сД/), z(/), |
J(t) с однородными |
начальны |
ми условиями: |
|
|
Д - ( ( с ( ( 0 - с2" ) (z(0 - |
+ {с, (0 - с*) /( /) = D'{ С; (0 С} |
и + 1 |
z(t)-yU ) |
ка 22 = nD2 сЛО-Сг
т- у о У
Введем безразмерные координаты и обо |
Дальнейшее решение системы уравнений |
|||||
значения |
|
|
|
|
в новых координатах детально рассмотрено в |
|
- . К |
К 2 |
KI |
|
[ 1 1 1- |
||
х = — х\ |
т = ---- /; |
х =— ; |
|
|||
|
D, |
D, |
£), |
|
Расчеты показывают малое влияние рас |
|
Э(т) = — |
Ыт)-у(т)У ^ (т) = -£ -у(т); |
творимости атомов А в припое на величину тв. |
||||
При уменьшении растворимости атомов А (А2г) |
||||||
|
|
|
|
|
||
_ |
су( т ) - с 2 , с _ с2р - с 2н |
д22 |
в 6 раз время завершения граничной кинетики |
|||
тв увеличивается лишь на 7 % . При малых |
||||||
о(т) = |
|
|
|
зазорах относительный вклад граничной кине-
тики составляет 23 |
32 % для |
зазора |
эе = 1 |
|
(в зависимости от Д22) и 1 |
1,5 % для |
зазора |
||
ас = 5. |
|
|
|
|
Кинетические |
особенности |
вклада гра |
ничной кинетики растворения в малых зазорах рассмотрены в [12]. Установлена сложная зави симость времени завершения граничной кинети ки Т| от растворимости е и величины зазора ае.
РЕАКТИВНО-ФЛЮСОВАЯ ПАЙКА
Пайку, при которой припой образуется в результате восстановления металла из флюса или диссоциации одного из его компонентов, называют реактивно-флюсовой пайкой.
В состав флюсов при реактивно-флюсо вой пайке обычно входят легко восстанавли ваемые соединения. Образующиеся в результа те реакции металлы в расплавленном состоя нии служат элементами припоев, а их летучие компоненты создают защитную среду и могут также способствовать отделению оксидной пленки от поверхности. Химические реакции при этом способе пайки достаточно сложны.
Одной из основных является реакция вос становления металла из флюса, протекающая по следующей схеме:
Ме'„Хт + /Ме" о M e jx j, +иМ е',
где Ме'„Хт - галогенид металла во флюсе; /Ме" -
паяемый металл; MeJ X |
- |
образуемое соеди |
нение, обычно летучее; Ме' - |
восстановленный |
|
металл из флюса. |
|
|
Другой реакцией |
является разложение |
солей и соединений Ме'^Х^ входящих в состав флюса:
Ме'„ Хт <-> лМе' + тХ t
При реактивно-флюсовой пайке возмож ны также восстановление и растворение оксид ной пленки паяемых металлов и окислов, вхо дящих в состав флюса, водородом и фтором, которые образуются в процессе разложения гидридов и фторидов. Во флюс вводят ингиби торы коррозии, катализаторы химических ре акций и вещества-растворители для удаления продуктов реакции. Расплавленный металл, образующийся в результате реакций, смачивает паяемый металл или оксидную пленку на его поверхности и служит припоем либо, высажи ваясь в виде покрытия на паяемых металлах, облегчает процесс пайки, осуществляемый при помощи дополнительно вводимого припоя. Кроме того, проникая через несплошности2
оксидной пленки, он может контактно рас плавлять паяемый металл, облегчая отделение и диспергирование окислов. Термодинамиче ская вероятность протекания реакции восста новления металла из флюса тем выше, чем больше изменение свободной энергии, сопро вождающее химическую реакцию, т.е. разность изобаро-изотермических потенциалов соеди нений: AZMe/Xm - AZMe';Xm (значение
I А2Ме;х„ |).
Хлориды металлов нашли широкое при менение в качестве одного из основных компо нентов флюсов. При пайке титана, алюминия и магния используют хлориды серебра, меди, никеля, олова, цинка и т.д. Сравнительная ак тивность различных металлов может быть представлена рядом напряжений: Li, К, РЬ, Са, Na, La, Mg, Be, Al, Zn, Mn, Nb, Zr, Ti, Cr, Ga, Fe, Cd, Jn, Co, Ni, Mo, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au, в котором каждый предыдущий металл ряда вытесняет последующие элементы.
Наиболее широко реактивно-флюсовая пайка используется при соединении деталей из сплавов алюминия. Основу флюсов составляют хлориды цинка, олова, кадмия и других легко плавких металлов, которые хорошо смачивают оксидную пленку на поверхности детали и, проникая под нее, взаимодействуют с паяемым сплавом. Продукты реакции способствуют диспергированию и отделению оксидной плен ки. Восстановленный цинк вступает во взаимо действие с алюминием. Для предотвращения эрозии и повышения пластичности швов хло риды цинка заменяют хлоридами кадмия и олова или снижают его количество во флюсе до 1 %.
Многие сложные по составу флюсы не требуют дополнительного введения припоя, а выделяемое в процессе химической реакции тепло дополнительно активирует процесс. Олово при использовании для пайки алюминия в качестве основного компонента флюса SnCl2 облуживает алюминий и обеспечивает возмож ность дальнейшего применения припоев сис темы Sn-Al. В состав реакционных флюсов при пайке железа вводят окислы меди, марганца, серебра и никеля, которые при восстановлении образуют припой. В качестве восстановителей применяют гидриды. Окислы и гидриды меди, марганца, цинка, лития, бария, алюминия, маг ния и натрия подбирают таким образом, что уже при сравнительно низкой температуре они вступают в реакцию восстановления. В резуль тате экзотермической реакции образуются чис-
2 - 8294
тые металлы, свободный водород и окисел металла.
Для пайки твердосплавных пластинок, содержащих карбиды титана, предложен флюс % (масс.): 48 NaHF2; 30 CoF2; фториды каль ция, цинка или олова - 10; NiF2 и (или) М о03 - 12. В процессе нагрева в этом флюсе Со, Ni, и Мо легко восстанавливаются до металлическо го состояния и сплавляются с паяемой поверх ностью. Фторид NaF очищает поверхность от окислов, жира и загрязнений. Фториды кадмия, цинка или олова защищают частицы карбидов в твердосплавных пластинках от окисления в процессе нагрева и способствуют растеканию припоя.
ДИФФУЗИОННАЯ ПАЙКА
Пайку, при которой затвердевание рас плава происходит при температуре выше температуры солидуса припоя без охлаждения из жидкого состояния, называют диффузион ной пайкой.
Процесс пайки начинается непосредст венно после завершения процесса растворения (/= *нас) паяемых материалов в шве, т.е. дости
жения в шве состава с = с \ независимо от спо
соба получения расплава в зазоре. Отвод лег коплавких компонентов из шва может осуще ствляться в результате взаимной диффузии в паяемые материалы, испарением в окружаю щую среду или связыванием их в тугоплавкие химические соединения. Принципиально воз можно сочетание всех трех механизмов. Наи более изучен и используется первый механизм - отвод легкоплавких элементов за счет диффу зии в паяемые материалы, который определяет скорость движения межфазных границ*, (/).
Диффузионная пайка обеспечивает полу чение наиболее равновесной структуры шва, повышает температуру распайки, увеличивает пластичность, коррозионную стойкость и жа ропрочность соединений за счет устранения в шве химической неоднородности, возникаю щей при кристаллизации. Для определения концентрационных полей, законов движения межфазных границ и времени завершения про цесса необходимо решить уравнение диффузии для фазы /, так как поток атомов металла А в фазу 2 отсутствует
дс\ _ |
д |
f |
(25) |
dt |
О, i c |
||
дх |
дх |
|
при следующих начальных, граничных услови ях и условии массобаланса (см. рис. 2, б и рис. 7) на движущихся границах:
ClU - x = C|H; |
c. U , = c iP; |
|
||
сз Ц |
= с2р; |
сг1=,=с2’ |
(26) |
|
А |
М П - П ( с > ) дС |
■ |
(27) |
|
|
at |
ох |
х(1) |
|
^12 = С2 ~С\
Скорость движения границ определяем из уравнения
*(/) = 2рУ д7, |
(28) |
А,, - cf -с,н
Преобразуем уравнение (27), введя под
становку и = — , и решение в фазе I будем 2V/V
искать в виде ряда
c,(«) = c,p+ ^]/(„(erf и -e rf Р)"
Значения коэффициентов после преобра
зований: |
|
|
//^ |
|
1 el'"' |
dc |
н - р |
||
(29) |
||||
4 ,= — |
du |
erf и - erf р |
||
п du" |
|
Л,=>Афехр(р2)Д|2- ^ — ;
Я|(С|Р)
А2 =7гехр(2р2)Р2А/,
т 1 0 |
Т |
21 |
x(t)b*~ |
|
~*Ax(t) |
Рис. 7. Схема распределения концентрации металла В при диффузионной пайке (Г= Г,)
(см. рис. 2, б):
/ - при / = 0; / / - при / = /«,н
где |
Я = 0,5{д 12^ 2(1-</2) - 4 Д ^ 2}; |
1
ср £>, (с,р) ср
ния при растворении (/ = 0) равна я„, тогда время завершения процесса изометермической кристаллизации tKнаходится из уравнения
rf2 - - |
5 |
- . |
а |
д |
) |
Из условия (26) с учетом первой поправ ки на концентрационную зависимость коэффи
циента диффузии получаем |
|
с,н =c,p -v^P exp(P 2)A,2rf(l + erf Р) + |
|
+ rcP2exp(2p2) # (l + erf Р)2; |
|
/ri(P) = VjtPexp(P2)(l + erf Р) = |
|
Д,24 - У ( Д ,24 ) 2-4 Я Д | |
(3 |) |
2 Я |
|
Уравнение (31) рассчитывают графически или по таблицам. Для этого, рассчитав значе
ние / / ^ / ( Д 12£>,), находим (Р ) . Далее, по
графику на рис. 5, я определяем р и рассчиты
ваем соответственно значения |
x(t) |
и с, (*, /). |
|
При £), = const имеем |
ранее известное |
||
решение: |
|
|
|
Я, (Р) = л/яРехр(р2 )(1+ erf р) = - ^ |
= - |
°\' |
|
|
Д|2 |
Г2Р-С Р |
|
|
|
|
(32) |
Из анализа (28), (31) и (32) следует, что с ростом £>, и Р = / (Д,,/Д|2) увеличивается ско рость процесса i(t) диффузионной пайки, где
Дп характеризует растворимость металла В в металле А. Время завершения процесса легко определить из (28) для зазора анас = 2/нас (янас - зазор после насыщения, т.е- завершения про цесса растворения)
'«о„=/„2.с/(4Р2Д ) . (33)
где D, определяется из (2$\ ПРИ Dx = const
D\ = D{
Исследования показали, что для более точного моделирования процесса изотермиче ской кристаллизации необходим учет исходно го концентрационного профиля в твердой фазе с,(х, 0) = с, (JC, /нас) и концентрационной зави
симости коэффициента дифФУзии А (о) [14]. Если исходная ширина швЗ в момент насыще
Сравнение расчетов с эксперименталь ными данными показывает, что учет ширины диффузионной зоны на стадии растворения позволяет в зависимости от растворимости атомов В в твердой фазе Дм и отношения ко эффициентов диффузии в фазах Dx/D2 увели чить точность решения на 25 60 % [14].
Таким образом, основными параметрами процесса диффузионной пайки являются раз мер шва, температура и время процесса. Размер шва регулируется исходным зазором и может быть снижен за счет приложения давления. Скорость процесса может быть увеличена так же за счет факторов, ускоряющих диффузию в твердой фазе: термоциклирование, применение скоростного нагрева, создание дефектной структуры поверхностных слоев паяемых ма териалов. Для исключения образования интерметаллидов температуру пайки выбирают вы ше температуры плавления химического со единения.
Метод диффузионной пайки находит ши рокое применение при соединении деталей из алюминия, магния, сталей, активных и туго плавких металлов. Так, для пайки компактного и пористого алюминия разработана техноло гия, исключающая применение флюса и глубо кое проникновение припоя в поры паяемого металла. На паяемые поверхности наносят смесь порошков алюминия с 2 % Си, образую щих эвтектику с температурой плавления 550 °С. Пайку производят при 625 °С в среде водорода. Эвтектика в процессе пайки в тече ние 30 мин растворяется в паяемом металле, и граница раздела паяемых металлов исчезает.
Правильно подбирая двойные, тройные и четверные системы, можно с успехом паять детали из железа и меди, изготовленные мето дом порошковой металлургии. При пайке маг ния и его сплавов (520 570 °С) в среде арго на в качестве припоя используется серебро в виде покрытия, наносимого при помощи ион ного напыления, которое способствует удале нию оксидной пленки и на порядок снижает время пайки за счет дефектности поверхност ного слоя. Термоциклирование (циклический нагрев до температуры пайки с последующим охлаждением на 100 °С ниже солидуса припоя) позволяет также снижать общее время пайки в
1,5 раза, а время выдержки при температуре пайки - в 6 раз.
Анализ соединений титана через покры тие с медью и никелем, образующих эвтектику с титаном, показал, что при диффузионной пайке предел прочности соединения при испы тании на срез в 3 - 4 раза выше, чем при использовании серебра. В процессе пайки в шве образуются твердые растворы на основе титана. Ширина зон, структура и их свойства зависят от режима пайки [7].
В случае использования медного покры тия (0,015 мм) при 1000 °С после 40 мин вы держки прослойка эвтектики исчезает. Шов состоит из твердого раствора меди в a-Ti и включений Ti2Cu Прочность стыковых соеди нений достигает 392 588 МПа, температура распайки 1190 °С.
При пайке коррозионно-стойкой стали с бронзой БрХ08 на сталь наносили никелевое
покрытие (6 |
8 мкм), на бронзу слой - сереб |
ра (толщина 5 |
7 мкм). Режим пайки - темпе |
ратура 950 |
980 °С, время 90 мин, давление |
поджатия 2,4 МПа - обеспечивает получение соединений, равнопрочных бронзе, и совмеща ет диффузионную пайку с закалкой коррозион но-стойкой стали.
Увеличение температуры распайки явля ется решающим фактором в выборе диффузи онной пайки как способа соединения тугоплав ких материалов. В [6] приведены системы припо ев, типичные режим пайки и температура распай ки соединений тугоплавких металлов и сплавов. Для предотвращения пористости, возникающей в результате эффекта Киркендалла, зазоры при диффузионной пайке стремятся выбирать мини мальными. Широкие возможности формирования в шве структуры с требуемым комплексом экс плуатационных свойств открываются при сочета нии диффузионной пайки с использованием ком позиционных припоев.
НЕКАПИЛЛЯРНАЯ ПАЙКА
Пайка, при которой расплавленный при пой заполняет паяльный зазор под действием внешних сил без заметного участия капилляр
ного |
давления, называется |
некапиллярной, |
|
и в |
ней |
подразумевается |
наличие зазора |
а > (0,5 |
0,8) мм. |
|
|
|
Некапиллярная пайка, |
при которой со |
единяемым кромкам заготовок придается фор ма, подобная разделке кромок при сварке плав лением, называется пайко-сваркой. Этот вид пайки обычно используют для изделий из чу гуна и выполняют припоями из латуни с до бавками Si. Mn, Р и А1. При соединении изде
лий толщиной более 4 мм рекомендуется V-об- разная разделка кромок под углом 70 90°, чугун желательно предварительно подогревать до 250 °С. При пайке медных труб диаметром более 50 мм применяют ацетилено-кислород ное пламя с вдуванием через сопло легкоиспаряющегося флюса с использованием серебря ного припоя. Применение электродугового, газопламенного и плазменного нагрева являет ся наиболее распространенным способом полу чения паяно-сварных соединений сплавов на основе Al, Си. Fe. Be. тугоплавких металлов и др.
Соединение разнородных металлов за счет расплавления более легкоплавкого метал ла и смачивания им поверхности более туго плавкого металла называется сварко-пайкой. Необходимая температура подогрева поверх ности тугоплавкого металла достигается за счет регулирования величины смещения элек трода от оси шва к более тугоплавкому метал лу. Особенности формирования соединения при некапиллярной пайке изучены для сочета ний Zr + Ti, Zr + Nb, Nb + Ti, Nb + V Химиче ский состав металла шва и очертания границ сплавления определяются кинетикой растворе ния кромки тугоплавкого металла [4]. Если образование соединения происходит между металлами, на диаграмме плавкости которых имеется минимум, усредненный состав шва можно определить, проводя горизонталь от температуры плавления более легкоплавкого металла В до пересечения с линией ликвидуса более тугоплавкого. Этот состав, отвечающий
равновесной растворимости с'2 (см. рис. 4, а)
при температуре плавления более легкоплавко
го металла (например, для Zr с Nb с, = 40
50 % Zr), будет определять состав большей части шва и состав шва в области, приле гающей к более тугоплавкому металлу (Nb). Со стороны более легкоплавкого металла (Zr) состав шва определяется составом спла ва, имеющего меньшую температуру плавле
ния на диаграмме (с'3 = 20 30 % Nb). Рас
слоение жидкости наблюдается во всех слу чаях и не зависит от режима процесса. Про тяженность области сплавов, имеющих наи более низкую температуру плавления, зависит от толщины соединяемых металлов, смещения электрода А, зазора а и изменяется от 0.08 до 1,5 мм и более.
Для соединений металлов, не имеющих на диаграмме плавкости точек перегиба (на пример. Ti + Nb). характер расслоения в шве
(расположение слоев: 80 |
90 % Nb у Nb и |
|
30 |
40 % Nb в шве) определяется объемом |
ванны, турбулентными потоками в ней, зависит от погонной энергии, определяющей значение Г2, смещения электрода А и наблюдается на всех режимах пайки. Вследствие неравновесности протекающих процессов, обусловленных большими скоростями взаимодействия при пайке, не всегда правомерно использовать рав новесную диаграмму состояния. В неравновес ной диаграмме линия ликвидуса сдвигается в сторону линии солидуса, поэтому при анализе
химического состава необходимо точку с\
сдвигать к с\ (см. рис. 4, а). Соединения цир
кония и титана с ниобием обладают высокими механическими свойствами [4], что обусловле но отсутствием в паяном шве хрупких химиче ских соединений и эвтектик.
КОМПОЗИЦИОННАЯ ПАЙКА
Технологический процесс применения ком позиционных припоев, имеющих структуру псевдосплава, или формирование в шве компо зиционной структуры с требуемым комплек сом эксплуатационных свойств, называется композиционной пайкой.
Отличительная особенность композици онного материала (припоя, шва) заключается в том, что совместная работа разнородных мате риалов, входящих в его состав, в процессе экс плуатации дает эффект, равноценный созданию нового материала. Композиционная пайка как способ объединяет основные технологические возможности, физико-химические и кинетиче ские особенности способов пайки. Наполни тель композиционного припоя в виде порошка, сетки, волокон образует разветвленный капил ляр, удерживающий большую часть жидкого припоя (матрицы), излишками которого осу ществляется смачивание поверхностей паяе мых материалов.
В [3, 6] рассмотрены возможности и пер спективы применения композиционных мате риалов при пайке. Композиционная структура в шве может быть получена за счет применения композиционного припоя, при диспергирова нии паяемых материалов или в процессе диф фузионной пайки. Наполнитель в припое в большинстве случаев обеспечивает основные физико-механические, в частности прочност ные, свойства паяного соединения. Матрица может вводиться в припой в виде порошков или покрытий, которые наносятся на паяемые
поверхности. По способу введения в зазор композиционные припои подразделяются:
1)на применяемые в виде многослойных покрытий;
2)на используемые в виде фасонных или простых профилей (фольг, лент, втулок и т.д.), получаемых методами порошковой или волок нистой металлургии в сочетании с обработкой давлением (прокатка, штамповка после про питки матрицей порошков или волокон), а также методами нанесения покрытий на про фили и т.д.;
3)на применяемые в виде смеси порош ков или паст, которые обычно вводят в зазор непосредственно перед пайкой;
4)на комбинированные способы - соче тания приведенных выше видов.
Теоретический и экспериментальный ана лизы показывают, что волокна являются наи более эффективным упрочнителем. Эффектив ность упрочнения (коэффициент упрочнения), определяемая отношением пределов текучести
композиционного к неармированному мате риалу, зависит от отношения длины к диаметру волокна, средней прочности и его объемного содержания. Значения коэффициента упрочне ния для данного класса материалов достигают 40 50. Матрица действует как среда, пере дающая напряжение, а эффект упрочнения определяется свойствами волокон. Коэффици ент упрочнения материала частицами зависит от их дисперсности, объемной доли, равномер ности распределения и определяется в основ ном способностью тормозить движения дисло кацией. Коэффициент упрочнения, составляю щий 5 30, характерен для дисперсных сис тем с размером частиц d4 < 0,1 мкм. В керметах, состоящих из мелких керамических частиц с dH= 0,1 10 мкм в металлической матрице, коэффициент упрочнения изменяется от 5 до 0,5. Упрочнение дисперсными частицами наиболее эффективно при работе в области повышенных температур. Наибольшие проч ность и стабильность структуры при повышен ных температурах характерны для материалов, армированных волокнами, так как у них мень ше свободная поверхностная энергия и соответ ственно ниже склонность к псрестариванию.
Наполнитель, как и матрицу, выбирают из эксплутационных требований. Основное требование к матрице сводится к обеспечению качественного смачивания наполнителя и паяемых поверхностей. Матрица по возможно сти должна быть инертна к наполнителю, об ладать достаточным уровнем пластичности и
вязкости, не образовывать хрупких соединений при взаимодействии с паяемыми материалами, иметь более низкий модуль упругости по срав нению с наполнителем и температуру плавле ния, превышающую температуру работы изде лия. Коэффициент относительной жаропрочно сти Граб/Гпл для традиционных никелевых спла вов составляет 0,76 7^, а для дисперсионноупроченных никелевых сплавов - не менее 0,9 Тпп (Граб > 1200 1300 °С). По геометрии уп рочняющих компонентов композиционные припои могут быть с одномерными компонен
тами (например, |
волокнистые |
материалы); |
с двухмерными |
компонентами |
(например, |
слоистые материалы); с нульмерными компо нентами (материалы, армированные частицами различной дисперсности).
В настоящее время выделяют три основ ных способа применения композиционных при поев и получения композиционной структуры паяных швов.
Первый способ - характеризуется приме нением припоя, сохраняющего композицион ную структуру в шве после пайки. Обычно методами волокнистой металлургии получают губчатообразную сетку, состоящую из сталь ных волокон диаметром 10 мкм и более (длина волокна в 20 раз больше диаметра). Сетку спе кают, пропитывают расплавом припоя и прока тывают до нужной толщины (0,05 мм и более). Объемная доля волокна более 10 20 %. По лученную ленту припоя укладывают на соеди няемые поверхности, которые собираются с зазором или без зазора, и производят пайку. В качестве припоя используют сплавы 70 % РЬ-30 % Sn и др. Сетку, волокна можно также помещать в зазор а > 1 мм с последующей опера цией частичного спекания или без него. Припой (матрица) укладывается около зазора и в процессе пайки пропитывает пористый материал.
Аналогично производят пайку с исполь зованием смеси порошков. Применение смеси порошков позволяет паять материалы с боль шими зазорами и соединять разнородные мате риалы с резко различающимися значениями термического коэффициента линейного расши рения, снижать напряжения в шве при пайке инструмента, регулировать степень растекания припоя, паять пористые материалы с компакт ными, а также тонкостенные конструкции, исключая эрозию паяемых материалов. Фор мирование соединения в этом случае включает подготовительную стадию - заполнение зазора, и основную - формирование шва в процессе смачивания наполнителя и паяемых поверхно
стей, пропитки и жидкофазного спекания с последующей кристаллизацией (в отдельных случаях - изотермической). В качестве напол нителя применяют порошки Си, Fe, Ni, Со, А120 3, TiC и др. Матрицей обычно служат при пои стандартных составов, например систем Pb-Sn, Cu-Ni-Mg, Ni-Cr-Si и др. [3].
Второй способ - характеризуется полу чением в шве композиционной структуры в процессе диффузионной пайки или дисперги рования, причем исходный припой может не иметь композиционной структуры. При пайке жаропрочных никелевых сплавов, например Udimet 700, % (масс.): Ni-15, Сг-18,5, Со-5, Mo-4,3, Al-3,3, Ti-0,07, С-0,03. Основу припоя составляет сплав, аналогичный основе паяемо го металла. При этом из него исключены титан и алюминий, образующие хрупкие соединения на межфазных границах, и введен бор (до 3 %). Рас плав припоя состава, % (масс.): N i-15; Сг-15; Со-5; Мо-2,5; В - вводится в зазор 0,025 ... 0,1 мм. В процессе диффузионной пай*и при темпера туре 1150 °С, совмещенной с отжигом в тече ние 24 ч, происходит легирование шва Ti и А1 и выравнивание состава и структуры за счет выпадения в шве у'-фазы типа Ni3(AlTi). Обра зующиеся паяные соединения равнопрочны паяемому материалу при температуре 980 °С [8].
Диспергирование поверхностного слоя материала под действием расплава является одним из перспективных методов композици онной пайки и получения композиционных покрытий. На основании анализа кинетики и механизма диспергирования установлено, что системы металл - расплав, представляющие наибольший практический интерес, относятся к системам второго типа. В этих системах, в соответствии с термодинамическим критерием оду < 2GSL, проникновение припоя по границам зерен и, соответственно, диспергирование дол жны отсутствовать (а.уу - энергия границы зер на, aSL- межфазная энергия).
При оптимальном температурно-времен- нбм режиме для проникновения расплава по границам зерен в металлических системах вто рого типа необходимо соблюдение двух усло вий: наличие пластически деформированного поверхностного слоя и присутствие кислорода (или другого межфазно-активного вещества), адсорбированного на границах зерен.
В случае адсорбции кислорода на границах зерен энергия границ уменьшается: ст^° « 2OSL*- В процессе растворения кислорода с границ зерен в припое и его последующей хемосорб
ции на межфазной границе при оптимальной температуре пайки знак неравенства обращается и система становится системой первого типа:
o Ss ° > 2оа *, Css° > <*SS*. G.SL* < G S L ,
где Oss° - энергия границ зерна после раство рения кислорода; G SL * - межфазная энергия после хемосорбции кислорода на межфазной границе.
В зависимости от количества жидкой фа зы зерна, переходящие в расплав, могут обра зовывать непрерывный каркас или быть ра зобщены. Изменяя соотношение межфазных характеристик, можно менять форму зерен от округлых до многогранных. С учетом приня тых обозначений движущая сила проникнове ния расплава по границам зерен имеет вид:
/ д . = ass° + Oss" - 2 O S L * ,
где а у / учитывает вклад упругой энергии ос таточных напряжений, локализованных в об ласти границ после пластической деформации поверхностного слоя. Экспериментально уста новлено, что при глубине резания 3,5 мм хими чески активных металлов толщина поверхно стного деформированного слоя составляет 15 20 мкм, который при температуре Т> Ткр переходит в расплав в процессе диспергирова ния.
Исследование вклада диспергирования в ме ханические свойства паяных соединений сплава W-3Ni-2Cu припоем системы Ni-Mn-Cr-Co пока зало, что интенсивность эффекта зависит от характера напряженного состояния поверхно сти сплава, температуры пайки и ширины зазо ра. Наиболее интенсивно эффект проявляется при Ткр > 1300 1320 °С (выдержка 10 15 мин, зазор 0,05 мм). В этом случае частицы W размером < 10 мкм заполняют практически всю ширину шва. Из анализа математической модели [15] следует, что вклад в упрочнение шва от диспергирования в 2 раза выше, чем от дисперсных частиц, вводимых в припой для повышения жаропрочности (0,16 % В - 0,37 % Zr - 0,3 % WC). При этом длительная жаро прочность соединений в десятки раз выше, чем при пайке припоем ПЖК-35. Эффект диспер гирования проявляется и в системах с ограни ченной растворимостью (например, Fe-Cu), особенно при использовании локальных источ ников нагрева. В тех случаях, когда возможна растворимость твердой фазы в припое, сущест венное упрочнение может быть достигнуто вследствие «сращивания» соединяемых по верхностей в процессе жидкофазного спекания частиц, перешедших в зазор.
Третий способ - пайка припоями, обес печивающими получение в шве структуры твердых растворов, необходимой в условиях воздействия агрессивных сред, циклических нагрузок и сверхнизких температур. В этом случае композиционные припои используются в виде многослойных фольг, покрытий, по слойного нанесения порошков, сеток в сочета нии с ленточным или порошковым припоями. Для снижения температуры пайки компоненты слоев подбирают таким образом, чтобы в про цессе контактного плавления происходило образование жидкой фазы, обеспечивающей смачивание и растворение паяемых материа лов, покрытий, буферных прослоек и легиро вание шва, что придает соединению высокие механические и коррозионные свойства.
Как было установлено автором этой гла вы, одним из эффективных методов повыше ния прочности при температуре пайки, не превышающей температуру разупрочнения паяемых металлов (Тп < 7^), является целена правленное легирование соединяемых поверхно стей за счет нанесения покрытий из элемен тов с высоким модулем упругости. На примере пайки стали 12Х18Н10Т с жаропрочными ста лями припоями системы Cr-Ni-Mn показана эффективность применения многослойных ком позиционных припоев (при 7;= 1150 °С, 30 мин). Нанесение Сг (6 мкм) на обе паяемые поверхно сти и использование Ni (20 мкм) и Мп (35 мкм)
ввиде покрытий обеспечили:
1)снижение температуры пайки на 50
100 °С за счет контактного плавления Ni с Мп и совмещение ее о оптимальной температурой термообработки сталей;
2)распределение компонентов припоя в виде покрытий с суммарной толщиной слоев
<80 мкм, что устраняет заплавление охлаж дающих каналов теплообменника;
3)повышенную после пайки концентра цию хрома в области межфазных границ и в цен тральной части шва, что позволило получать
соединения, |
равнопрочные |
стали 12Х18Н10Т, |
с высокой |
коррозионной |
стойкостью при |
Тп< Т’кр [16].
Одной из принципиальных особенностей способа является нанесение избыточного коли чества хрома над его равновесной растворимо стью в расплаве Ni-Mn при Тп. В процессе изо термической выдержки хром из остатков по крытия диффундирует в основной металл, обеспечивая его повышенную концентрацию (до 18 20 % масс.) в области спаев.
Для получения прочных паяных соедине ний из титановых сплавов применяют покры
тия систем Cu-Zr (при а в » 540 |
640 МПа), |
сложные покрытия Cu-(Co-Ni)-Cu (ав« 660 МПа) 950 1000 °С, 15 16 мин. Дальнейшее уве личение прочности до 870 МПа (при 980 °С, 120 мин) достигнуто при использовании по крытия 80 Си + 20 Ni. Введение никеля снижа ет количество интерметаллидной фазы Ti3Cu. Шов состоит из твердого раствора а-титана и небольшого количества равномерно распреде ленных включений Ti3Ni, легированных ме дью. При пайке ниобия с медью и ниобия со сталью 12Х18Н10Т для снижения хрупкости предложены многослойные композиционные проставки, позволяющие регулировать количе ство жидкости за счет ограничения содержания активного металла (фольга из титана), разме щенного в шве. Прочность шва, имеющего струк туру твердого раствора системы Cu-Ni-Nb, близ ка к прочности паяемых материалов. Для огра ничения растекания припоя и запаивания узких каналов при пайке гофрированных или оребренных конструкций перспективно применение двухслойного композиционного припоя, со стоящего из сетки, и припоя в виде фольги или смеси порошков.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вершок Б. А., Новосадов В. С. Расчет нестационарной кинетики и процесса контакт ного плавления // Физика и химия обработки материалов. 1974. № 2. С. 61 - 65.
2. Калинин М. М., Новосадов В. С., Гржимальский Л. Л. Пайка вольфрамового сплава ВНМ-3-2 / В кн.: Пайка и ее роль в по вышении качества продукции и эффективности производства. М.: НТО Машпром, 1976. 312 с.
3. Новосадов В. С., Масленникова Л. П., Юдин В. В. Опыт применения композиционных материалов в радиоэлектронике. Л.: ЛДНТП, 1976. 24 с.
4.Новосадов В. С., Шоршоров М. X.
Особенности формирования и механические свойства разнородных соединений сплавов циркония, титана и ниобия при аргонодуговой сварке // Физика и химия обработки материа лов. 1968. № 2. С. 92 -100.
5.Савицкая Л. К. Расчет скорости кон тактного плавления эвтектических систем // Известия вузов. Физика. 1962. № 6. С. 11-13.
6.Способы пайки / В кн.: Справочник по пайке / Под ред. С. Н. Лоцманова, И. Е. Петрунина, В. Н. Фролова. М : Машиностроение, 1975. 306 с.
7.Черницын А. И., Куфайкин А. Я., Расторгуев Л. Н. Струкгура и фазовый состав переходной зоны, образующейся при диффузи онной пайке титана / В кн.: Технология и обо рудование высокотемпературной пайки. М.: МДНТП, 1973.316 с.
8.Dwall D. S., Owczarki W. A., Paulouis
D. F. «TLP» Bouding a new Method for Joining Heat Resistant alloys. Welding Journal, 1974, v. 53, N 4, p. 203-214.
9.Новосадов В. С. Влияние зазора на структуру и химический состав шва. Аномалия растворимости в малых зазорах / В сб.: Пайка - 2000. Мат. междунар. науч.-техн. конф. Толь ятти: ТПИ, 2000. С. 7 -1 7 .
10.Новосадов В. С., Журавлев С. П.
Кинетика процесса растворения в зазоре с уче том потока в твердую фазу / В кн.: Физика межфазных явлений. Нальчик: Кабард.-Балкар. книжн. изд-во, 1984. С. 107 - 116.
11.Новосадов В. С., Журавлев С. П., Костиков В. И. Растворение в зазоре с учетом граничной кинетики / В сб.: Прогрессивные методы в пайке. Киев: Ин-т электросварки им. E. О. Патона. АН УССР. С. 18 - 30.
12.Новосадов В. С., Журавлев С. П.
Феноменологическая модель процесса раство рения при капиллярной пайке в малых зазорах /
Всб.: Адгезия расплавов и пайка материалов. 1989. № 22. С. 6 6 -7 2 .
13.Феноменологическая модель про цессов массообмена на межфазной границе с учетом граничной кинетики / В. С. Новосадов, К. П. Гуров, С. П Журавлев, М. X. Шоршоров / Физика и химия обработки материалов. 1986. №5. С. 119-125.
14.Новосадов В. С., Журавлев С. П., Нурова Д. Р. Феноменологическая модель изотермической кристаллизации паяного шва (диффузионная пайка) с учетом исходной диф фузионной зоны / В кн.: Инженерные методы обеспечения безопасности полетов при ремон те авиационной техники гражданской авиации. М.: Высшая школа, 1986. С. 124130.
15.Новосадов В. С., Калинин М. М.
Формирование композиционной структуры в шве в процессе диспергирования при пайке металлов // Физика и химия обработки мате риалов. 1987. № 5. С. 105-112.
16.Юдин В. В., Новосадов В. С., Чер нятин В. В. Применение трехслойного покры тия хром-никель-марганец в качестве элемен тов припоя для пайки нержавеющих сталей /
Всб.: Механизация и автоматизация процессов пайки: Науч.-техн. семинар (Москва, 1976). М.: Знание, 1976. С. 89 -9 3 .